牛用恒溫飲水裝置研究進展及應用建議

楊曉宇

（烏魯木齊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)（頭屯河區(qū)）農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

得益于廣闊的草場和超長的日照時間，新疆維吾爾自治區(qū)是我國重要的畜牧區(qū)之一，2020 年新疆維吾爾自治區(qū)奶牛存欄總量115.6 萬頭，占全國奶牛養(yǎng)殖總量的11.01%。雖然得天獨厚的自然環(huán)境為新疆維吾爾自治區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展提供了先天優(yōu)勢，但受制于集約化水平、管理經(jīng)驗和技術(shù)應用等原因，新疆維吾爾自治區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展質(zhì)量、效益與其他省份相比還有較大差距。

新疆維吾爾自治區(qū)氣候干旱，春秋冬3 季寒冷，晝夜溫差大，實際生產(chǎn)過程中，養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖戶往往更注重飼料供應和環(huán)境管理，而忽視了牲畜的飲水管理。水是機體重要的物質(zhì)之一，對于維持正常的生理機能活動、營養(yǎng)物質(zhì)代謝和產(chǎn)奶等生產(chǎn)性能都具有重要作用[1]。供給充足、溫度適合和清潔的飲水往往是提高牲畜生長性能最經(jīng)濟、最簡便的手段之一。為了解決牲畜飲用溫水問題，一些養(yǎng)殖戶采用了恒溫加熱飲水裝置，目前飲水裝置的加熱方式主要有電加熱、太陽能加熱、沼氣加熱及其他加熱方式，本文介紹了這些飲水裝置的應用現(xiàn)狀及特點，對西北地區(qū)不同規(guī)模養(yǎng)牛場恒溫加熱飲水方式提出建議。

1 牲畜飲水管理

牲畜飲水量取決于牲畜的品種、年齡、生產(chǎn)力等自身因素，溫度、相對濕度等環(huán)境因素，以及飼料中的含水量等飼養(yǎng)管理因素。以奶牛為例，奶牛的每日需水來自飲水、飼料中的水和自身有機營養(yǎng)代謝水，其中飲水約占83%[2]。雖然寒冷季節(jié)奶牛飲水量比夏季高溫季節(jié)低20%～50%，但是由于冬季缺乏青綠多汁飼料，牲畜管理者更應注意供應充足的飲水。研究顯示，犢牛每日需水量10～15 kg，青年奶牛每日需水量30 kg，泌乳期奶牛每日需水量50～100 kg，而高產(chǎn)奶牛每日飲水量達到90～110 kg 才能維持較好的泌乳性能[3]。為了保證奶牛飲水的次數(shù)，最好能在牛舍和運動場內(nèi)設置飲水裝置，為奶牛全天供水；如不能滿足條件，至少要在每次喂料前后和擠奶前后讓奶牛充分飲水。

寒冷環(huán)境下，要注意奶牛飲水溫度。對于最佳飲水溫度，不同的牛場試驗得出的結(jié)果不同。陳昭輝等[4]發(fā)現(xiàn)，冬季飲用14～18 °C 的水可顯著提高肉牛飲水量，其中最利于提高肉牛生長性能的水溫是16～18 °C。陳佳琦等[5]研究發(fā)現(xiàn)，肉牛更喜愛飲用10 °C 的水。刁小南等[6]研究表明，肉牛飲用20 °C 的溫水，比飲用4 °C的冷水時日均增加的體質(zhì)量顯著提高。汪志錚[2]認為秋冬季奶牛飲水的適宜溫度：犢牛35～38 °C，成年奶牛12～14 °C，產(chǎn)奶妊娠牛15～16 °C。雖然最適宜的飲水溫度未達成共識，但普遍認為寒冷季節(jié)時飲水溫度在10 °C 以上才能保證牛的生理性能，將體質(zhì)量增加量和產(chǎn)奶量維持在較好水平。如果飲水溫度較低，會造成奶牛飲水量不足、食欲下降、產(chǎn)奶減少、生理機能紊亂，飲用冰水還易造成牲畜消化系統(tǒng)疾病和母畜流產(chǎn)，應嚴格禁止。但在實際生產(chǎn)過程中，家庭農(nóng)場或小規(guī)模養(yǎng)殖場通常使用水桶、飲水槽或料槽，直接向牲畜提供飲水，規(guī)模養(yǎng)殖場由于環(huán)境溫度過低導致水管結(jié)冰、凍裂等情況也時有發(fā)生，導致牲畜飲用冰碴水。

2 恒溫加熱飲水裝置研究進展

目前，寒冷地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場普遍備有冬季水槽保溫或加熱飲水裝置，顧憲紅等[7]調(diào)研了京郊62 家存欄量在100 頭以上的規(guī)?；膛?，其中寒冷季節(jié)備有飲水加熱裝置的牛場有51 家，占82.3%。按照熱源的不同，牛用飲水裝置加熱方式主要有直接電加熱、太陽能加熱、沼氣加熱、空氣源熱泵和地熱源熱泵等，規(guī)?；B(yǎng)殖場以直接電加熱槽應用最廣泛[8]。

2.1 電加熱飲水裝置

電加熱飲水裝置能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為熱能，以電加熱飲水槽應用最為廣泛。電加熱飲水槽主要由槽體、支腿、電加熱控制系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)組成，槽體分為不銹鋼和高強度塑料兩種材質(zhì)，還可通過設置可翻轉(zhuǎn)式槽體、可拆分式槽體、增加保溫材料等方式，增加飲水槽的清洗、安裝便捷性，以及防凍保溫性能。這種設備技術(shù)簡單、前期投入低，在各種不同規(guī)模的牛場接受度較高。王波等[9]設計了一種電加熱飲水槽，將溫控技術(shù)和保溫材料相結(jié)合，控制冬季奶牛飲水溫度在5～15 °C，同時采用24 V 低電壓、電加熱棒護板、架設穿線管等保護措施避免了電?，F(xiàn)象。值得注意的是，由于功率較低，電加熱飲水槽加熱功能僅能用于維持外界供水水溫不降低而非再次加熱，因此外界供水溫度需要達到10 °C 以上才能維持較好的性能。為了測定電熱水槽在寒冷地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場的實際使用效果，劉云飛等[10]連續(xù)測定寒冷環(huán)境下牛舍內(nèi)電加熱槽內(nèi)的水溫，發(fā)現(xiàn)平均溫度低于10 °C，一方面是因為電加熱槽功率低、加熱速度慢，在奶牛集中飲水的時段不能將外界的低溫地下水快速加熱到最適宜飲用的溫度，另一方面也與牛舍環(huán)境溫度低、敞開式飲水槽表面蒸發(fā)散熱過快有關(guān)。

翟志強等[11]針對規(guī)?；竽翀鲅蚝蜖倥ｏ嬎?，設計了恒溫飲水桶，當加熱到設定溫度38.5 °C 時，溫度波動可控制在±0.5 °C 范圍內(nèi)，飲水桶上設置的多個防滴漏吸吮器，可以模仿幼齡牲畜所需的人工誘導飼喂，減少進食應激，該裝置溫度穩(wěn)定性好，可以滿足羊和犢牛恒溫飲水的要求。長江大學[12]設計了一種即溫式牛用智能控溫飲水裝置，通過設置數(shù)據(jù)處理控制中心、控制水流控制器、入水溫度傳感器、出水溫度傳感器和功率調(diào)節(jié)器等控制部件的參數(shù)，保證在不同水壓、水流、水溫的情況下都能得到預設的恒溫飲水，即熱式加熱方法比傳統(tǒng)熱水器省電30%以上，不需要設置儲水箱和保溫膽，體積小、容易安裝，有效降低養(yǎng)殖成本。西安科技大學[13]設計了一種利用電氣控制技術(shù)的感應出水式牲畜自動飲水裝置，主要部件包括水箱、飲水控制器、進水管、出水管和U 型電加熱器等。當飲水管上設置的熱釋電紅外探測器感應到牲畜來到飲水裝置前時，飲水控制盒內(nèi)的控制電路打開，供牲畜飲水，整個過程中，超聲波測距模塊和溫度探測器對水位和溫度進行實時監(jiān)測。該設備使用操作方便、能夠恒溫供水且無須人工補水。

直接電加熱槽加熱時間較長，不能滿足奶?？焖佟⒋罅匡嬘脺厮?，在實際應用中最高溫度達不到寒冷季節(jié)飲用水最佳溫度等需求，但是由于安裝成本低、結(jié)構(gòu)簡單、幾乎不需要保養(yǎng)和維護、控制方便等優(yōu)勢，電加熱槽在各種規(guī)模養(yǎng)殖場的使用中獲得了較好的反饋，能夠保證牛在嚴寒天氣至少喝不到冰碴水，尤其適合中小規(guī)模養(yǎng)殖場用最低成本保證牛的健康和產(chǎn)奶量。

2.2 太陽能加熱飲水裝置

太陽能熱水器應用廣泛、技術(shù)成熟，可供選擇的產(chǎn)品種類豐富，非常適合在光照時間長、用水量大的地區(qū)應用，但是目前在畜牧場的應用推廣還較少。太陽能加熱飲水裝置通過太陽能集熱器對地下水進行光熱轉(zhuǎn)換后儲存在儲水箱，然后放入水槽供牛飲用。李欣等[14]設計了奶牛場太陽能熱水工程，比較了采用太陽能熱水工程、電熱水槽和普通水槽3 種方式所提供的水溫、奶牛飲水量和產(chǎn)奶量，并對太陽能熱水工程和電加熱槽所實現(xiàn)的生產(chǎn)性能和經(jīng)濟效益進行了分析，結(jié)果表明太陽能熱水工程可以滿足泌乳牛舍大量、集中供應熱水的需求，可用于寒冷地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)殖場。郝薇等[15]在甘肅省張掖地區(qū)進行試驗，比較了太陽能恒溫飲水系統(tǒng)和電加熱飲水系統(tǒng)在寒冷地區(qū)牛舍中的應用效果，證明二者對肉牛提供的飲水水溫無顯著性差異，可以在原有全電加熱系統(tǒng)的基礎上改造設計一種新型太陽能恒溫飲水系統(tǒng)，既能保證恒溫飲水需求，同時減少設備投資成本，最大程度節(jié)省耗電量，提高經(jīng)濟效益。

太陽能熱水系統(tǒng)設備投入成本比電加熱裝置高，受天氣影響較大，但是具有轉(zhuǎn)化效率高、綠色環(huán)保、安全等優(yōu)點?？梢詫㈦娂訜嵯到y(tǒng)和太陽能加熱系統(tǒng)進行改進或結(jié)合，在日照充足、多雪寒冷的地區(qū)使用。

2.3 沼氣加熱飲水裝置

隨著近年來國家對畜禽糞污無害化處理和資源化利用的重視程度越來越高，沼氣工程的先進工藝、技術(shù)和設施研發(fā)快速發(fā)展[16]。養(yǎng)殖場的糞污通過沼氣池或沼氣罐發(fā)酵處理產(chǎn)生沼氣，用作熱能或電能供養(yǎng)殖場用，沼渣沼液作為有機肥料回收利用或達標排放。丁文海[17]設計了一種沼氣加熱飲水裝置，主要由底座、蓄水箱、加熱箱、飲水池、凈化箱和循環(huán)泵等組成。加熱箱上的供氣管連接沼氣發(fā)生裝置，利用發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣燃燒對水進行加熱，在循環(huán)泵的作用下，飲水池中的水不斷在凈化箱中過濾掉雜質(zhì)，保證飲水質(zhì)量，同時由液位傳感器、報警器控制內(nèi)部水量和添加水量，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于搬動、節(jié)能、自動化程度高等特點。山東格瑞德集團有限公司[18]設計了一種奶牛養(yǎng)殖場飲水系統(tǒng)，包括沼氣發(fā)生子系統(tǒng)、直燃機供水子系統(tǒng)、奶牛飲水供水子系統(tǒng)，沼氣發(fā)生子系統(tǒng)的沼氣輸出口通過管道與直燃機供水子系統(tǒng)中直燃機燃燒器的進氣管相連接，通過沼氣燃燒供給直燃機動力，可使直燃機供水子系統(tǒng)產(chǎn)生熱水，通過供水管道和回水管道與奶牛飲水供水子系統(tǒng)中的板式換熱器連接，加熱補水水罐中的冷水，再送至恒溫水罐備用，恒溫水罐通過電動三通合流調(diào)節(jié)閥分別與補水水罐、保溫飲水槽連通。該系統(tǒng)可以保證奶牛一年四季喝到溫度適宜的水。

我國畜禽糞便的處理還處于起步階段，具有很大的發(fā)展空間和生態(tài)環(huán)境保護價值。將養(yǎng)殖場的糞便和廢棄物進行無害化、資源化處理，利用沼氣工程直接燃燒，或通過電能轉(zhuǎn)換用于加熱飲水，只是沼氣綜合應用的一個小方向，整個沼氣系統(tǒng)工程需要完整的處理設備和處理工藝，才能夠與養(yǎng)殖場的設施相匹配，因此這種模式目前只在大規(guī)模養(yǎng)殖場得到應用，實際使用效果也需要進一步驗證。

2.4 其他加熱飲水裝置

趙永生[19]設計了一種奶牛飲水系統(tǒng)，包括儲水箱、循環(huán)泵、飲水槽和板式換熱器，通過管道連接構(gòu)成一個自循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)泵為系統(tǒng)提供動能，板式換熱器的熱源來自供暖系統(tǒng)、熱水鍋爐或蒸汽鍋爐，用于加熱管道中的循環(huán)水。該系統(tǒng)的優(yōu)點是避免直接使用電加熱方式可能電到牛的危險，循環(huán)泵的使用減少了電能消耗，同時循環(huán)的活水更利于奶牛健康。禾亞（北京）生態(tài)工程技術(shù)有限公司[20]設計了一種復合能源系統(tǒng)奶牛飲水裝置，包括飲水槽、儲熱水箱、空氣源熱泵主機、地源熱泵主機、空氣源循環(huán)泵、地源循環(huán)泵和取熱循環(huán)泵等設備，將空氣源熱泵和地源熱泵并聯(lián)使用滿足制熱需求，相比于傳統(tǒng)電加熱、天然氣加熱等方式，制熱更快、效率更高、更節(jié)能，而且使用的能源為綠色能源，在空氣源熱泵或地源熱泵其一出現(xiàn)故障時，另一熱源保證正常供熱。對比其他方式，空氣熱源或地熱源加熱飲水裝置雖然節(jié)能環(huán)保，但是初始投資較大，使用、控制和維修麻煩，實際應用很少。

3 發(fā)展趨勢及應用建議

3.1 發(fā)展趨勢

雖然經(jīng)過近10 年的快速發(fā)展，我國養(yǎng)牛機械設備和工藝水平大幅度提高，生產(chǎn)方式逐漸向集約化、機械化方向轉(zhuǎn)型，但是在牛場飲水設備方面，相關(guān)裝置研究和應用較少，大部分裝置還處于理論和技術(shù)研究階段，目前除了成品化的不銹鋼或高強度塑料槽體制成的電加熱槽外，其他可供牛場選擇的商品化恒溫加熱飲水設備極少?！笆奈濉逼陂g，我國推進適度規(guī)模養(yǎng)殖模式，引導農(nóng)民利用畜禽糞便等養(yǎng)殖廢棄物實現(xiàn)循環(huán)利用、變廢為寶，牛場恒溫飲水裝置研究，尤其是沼氣、太陽能加熱方式的飲水裝置將擁有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。

3.2 應用建議

沼氣加熱、空氣源加熱等新型熱源飲水裝置目前應用較少，還無法對其實際使用效果和經(jīng)濟效益進行評價。在甘肅省等低溫少雪地區(qū)，可以用太陽能恒溫飲水系統(tǒng)替代或改造電加熱飲水系統(tǒng)，最大限度降低成本、減少能耗。新疆維吾爾自治區(qū)等冬季嚴寒多雪地區(qū)，可以將電加熱飲水系統(tǒng)和太陽能恒溫飲水系統(tǒng)串聯(lián)使用，在天氣晴朗、日照充足的時間利用太陽能光板獲取足量的熱輻射對水進行加熱，陰天或下雪天氣，儲熱水箱中的水溫達不到設定溫度時，啟動儲熱水箱中的電加熱棒進行輔助補償加熱。值得注意的是，不同地區(qū)應根據(jù)當?shù)責彷椛鋮?shù)的不同，適當設置太陽能集熱器的數(shù)量和儲熱水箱容積。對于需要控制養(yǎng)殖成本的養(yǎng)殖戶或小規(guī)模養(yǎng)殖場，可以采用低壓控制、改進保溫材料等技術(shù)措施，改善直接電加熱裝置的安全性能和保溫性能，盡量改善牲畜福利，提高經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

在北方寒冷地區(qū)的養(yǎng)殖生產(chǎn)中，為了保證牲畜的生產(chǎn)性能，有必要采取措施提高其飲水溫度。以牛用恒溫飲水裝置為例，介紹了其研究進展，飲水加熱方式包括電加熱、太陽能加熱、沼氣加熱及其他熱源加熱，目前主要以電加熱飲水槽應用最為廣泛，其他加熱裝置應用較少，或處于理論研究階段。對于甘肅省等低溫少雪地區(qū)，建議使用太陽能恒溫飲水系統(tǒng)替代或改造電加熱飲水系統(tǒng)；新疆維吾爾自治區(qū)等冬季嚴寒多雪地區(qū)，可以將電加熱飲水系統(tǒng)和太陽能恒溫飲水系統(tǒng)串聯(lián)使用。未來，隨著節(jié)能、環(huán)保理念的貫徹實施，新型能源加熱飲水裝置的研究將更加深入，其發(fā)展空間和應用前景也更廣闊。